化学反应（化学反应设计单原子催化剂了）

化学反应(化学反应设计单原子催化剂)

据国外媒体报道，塔夫茨大学、伦敦大学学院、剑桥大学和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员证明，催化剂确实可以成为变革的媒介。在周二发表在杂志《科学》上的一项研究中，他们使用在超级计算机上运行的量子化学模拟来预测一种新的催化剂结构及其与某些化学物质的相互作用，并在实践中证明了其生产丙烯的能力――目前供应短缺――这在塑料、织物和其他化学品的制造中至关重要。这些改进有可能成为高效、“更环保”的化学物质，并减少碳足迹。

每年对丙烯的需求约为1亿吨(价值约2000亿美元)，但目前没有足够的资源来满足激增的需求。就规模而言，其生产涉及化学工业中第三大转化过程，仅次于硫酸和乙烯。生产丙烯和乙烯常见的方法是蒸汽裂解，其产量被限制在85%，这是化学工业中耗能的工艺之一。生产丙烯的传统原料是石油和天然气作业的副产品，但转向页岩气限制了其产量。

用于从页岩气中发现的丙烷生产丙烯的典型催化剂由金属的组合组成，其在原子水平上可能具有随机的复杂结构。活性原子通常以许多不同的方式聚集在一起，这使得基于化学物质和催化表面之间可能相互作用的基本计算来设计新的反应催化剂变得困难。

相比之下，由塔夫茨大学发现并于2012年在期刊《科学》中首次报道的单原子合金催化剂将单个活性金属原子分散在更惰性的催化剂表面上，密度为约1个活性原子至100个惰性原子。这使得单个催化原子与待处理的化学物质之间的相互作用清晰可见，而不会因与附近其他活性金属的不相关相互作用而变得复杂。由单原子合金催化的反应通常是干净有效的，而且，正如目前的研究证明的那样，它们现在可以通过理论方法来预测。

塔夫茨大学化学教授、该研究的通讯作者查尔斯赛克斯(Charles Sykes)表示，“我们采用了一种新方法，与来自伦敦大学学院和剑桥大学的合作者在超级计算机上进行**性原理计算，这使我们能够预测什么是将丙烷转化为丙烯的佳催化剂。”

这些导致催化剂表面反应性预测的计算通过原子级成像和在模型催化剂上运行的反应得到证实。研究人员随后合成了单原子合金纳米粒子催化剂，并在工业条件下进行测试。在这种特定的应用中，分散在铜表面的铑原子在丙烷*氢成丙烯中具有好的效果。

该研究的合著者、伦敦大学化学工程系副教授米恰伊尔斯塔马塔基斯说：“常用多相催化剂的改进大多是一个试错过程。单原子催化剂使我们能够从**原理计算分子和原子在催化表面如何相互作用，从而预测反应结果。在这种情况下，我们预测铑将非常有效地从甲烷和丙烷等分子中拉出氢――这一预测与常识相反，但在实践中却令人难以置信地成功。现在我们有了合理设计催化剂的新方法。”

单原子铑(Rh)催化剂的效率很高，可以100%选择性生产丙烯，而目前工业上生产丙烯的催化剂只有90%。这里的选择性是指在表面上产生所需产物的反应比例。Stamatakis说，“如果被业界采用，这种效率水平可能会节省大量成本，数百万吨二氧化碳不会被释放到大气中。”

单原子合金催化剂不仅更有效，而且它们往往在更温和的条件和更低的温度下进行反应，因此它们比传统催化剂需要更少的能量。它们的生产成本可能更低，只需要很少一部分贵金属，比如铂或铑，可能非常昂贵。例如，铑的价格目前约为每盎司22000美元，而占催化剂99%的铜的价格仅为每盎司30美分。新的铑/铜单原子合金催化剂还具有抗结焦性――这是工业催化反应中常见的问题，即碳含量高的中间产物――基本上是煤烟――积聚在催化剂表面，开始抑制所需的反应。这些改进是“绿色”化学减少碳足迹的秘密。

Stamatakis说，“这项工作进一步证明了单原子合金催化剂在解决催化剂行业效率低下方面的巨大潜力，这反过来又具有非常巨大的经济和环境回报。”